四种类型的不锈钢以及合金元素的作用
不锈钢可分为四种类型:奥氏体型、马氏体型、铁素体型和双相不锈钢(表1)。
这是根据不锈钢在室温时的金相组织划分的。当低碳钢被加热到1550℉时,其组织从室温时的铁素体相转变成奥氏体相。而冷却时,低碳钢组织又重新转变成铁素体。高温时存在的奥氏体组织是非磁性的,而且相比室温铁素体组织其强度较小,韧性较好。
当钢中的Cr含量大于16%时,室温的铁素体组织得到固定使得钢材在所有温度范围内保持铁素体态。因此,称为铁素体不锈钢。当Cr含量大于17%,Ni含量大于7%时,奥氏体相得到固定,使得从低温到几乎熔点的范围内均保持奥氏体态。
奥氏体不锈钢通常称为“Cr-Ni”型,马氏体和铁素体不锈钢直接称为“Cr”型。不锈钢和填充金属中的元素可分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素。最主要的奥氏体形成元素有Ni、C、Mn和N,铁素体形成元素有Cr、Si、Mo和Nb。调整元素含量可控制焊缝中的铁素体含量。
奥氏体型不锈钢相比含Ni量低于5%的不锈钢更容易焊接而且焊接质量更好。奥氏体不锈钢的焊接接头强韧性很好,一般不需要焊前预热和焊后热处理。在不锈钢焊接领域,奥氏体不锈钢占全部不锈钢用量的80%,因此本文的重点就是奥氏体不锈钢的焊接。
如何选择正确的不锈钢焊材?
如果母材是相同的,首要准则就是“与母材匹配”。例如焊接310或316不锈钢,就选择相应的焊材。
焊接异种材料,则遵循选择与合金元素含量高的母材相匹配的准则。例如焊接304和316不锈钢,则选择316型焊材。
但是,也存在很多不遵循“匹配母材”原则的特殊情况,这时就要“查阅焊材选择表”。例如,304型不锈钢是最常见的母材,但是没有304型的焊条。
假如要焊材与母材匹配,如何选择焊材来焊接304不锈钢?
焊接304不锈钢时,使用308型焊材,因为308不锈钢中的额外元素可以更好的稳定焊缝区域。
308L也是一个可接受的选择。L表示低碳含量,3XXL不锈钢表示碳含量≤ 0.03%,而标准的3XX不锈钢可最高含有0.08%的碳含量。
由于L型焊材与非L型焊材属于同一类型的分类,因此生产产商应该特别考虑使用L型焊材,因为它的低碳含量可以减少晶间腐蚀的倾向(图1)。实际上,笔者认为如果生产厂商希望升级产品的话,L型焊材将获得更广泛的应用。
图1 使用L型焊材可降低发生晶间腐蚀的倾向
采用GMAW方法焊接的生产厂商也考虑使用3XXSi型焊材,因为Si可改善润湿性(图2)。在焊件具有较高隆起或者在角焊缝或搭接焊缝的焊趾处焊接熔池连接不良的情况下,使用含Si的气保焊丝可润湿焊缝并提高熔敷率。
图2 为改善GMAW焊接中的焊材润湿性,选用含Si焊丝,如308L Si或316L Si
如果考虑碳化物析出,可选择含有少量Nb元素的347型焊材(最后一个问题)。
如何焊接不锈钢与碳钢?
为了降低成本,一些结构件会在碳钢表面焊接一层耐腐蚀层。当焊接不含合金元素的母材与含合金元素的母材时,使用合金含量更高的焊材以平衡焊缝中的稀释率。
焊接碳钢和304或316不锈钢时,以及其他异种不锈钢焊接时(表2),多数情况下考虑选用309L焊材。如果希望得到更高的Cr含量,则选用312型。
